Thermal phonon transport in silicon nanostructures

Titre traduit

Transport des phonons dans les nanostructures de silicium
Résumé

Lors de deux dernières décennies, la nano-structuration a permis une augmentation conséquente des performances thermoélectriques. Bien qu’à l’ origine le silicium (Si) ait une faible efficacité thermoélectrique, son efficacité sous forme de nanostructure, et notamment de nanofils, a provoqué un regain d’intérêt envers la conduction thermique au sein de ces nanostructures de Si. Bien que la conductivité thermique y ait été réduite de deux ordres de grandeur, les mécanismes de conduction thermique y demeurent flous. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettrait non seulement d’augmenter l’efficacité thermoélectrique mais aussi d’ouvrir la voie à un contrôle des phonons thermiques, de manière similaire à ce qui se fait pour les photons. L’objectif de ce travail de thèse était donc de développer une plateforme de caractérisation, d’étudier le transport thermique au sein de différentes nanostructures de Si et enfin de mettre en exergue la contribution du transport cohérent de phonons à la conduction thermique. Dans un premier temps, nous avons développé un système de mesure allant de pair avec une procédure de fabrication en salle blanche. La fabrication se déroule sur le site de l’institut de Sciences Industrielles et combine des manipulations chimiques, de la lithographie électronique, de la gravure plasma et du dépôt métallique. Le système de mesure est base sur la thermoreflectance : un changement de réflectivité d’un métal a une longueur d’onde particulière traduit un changement de température proportionnel. Nous avons dans un premier temps étudié le transport thermique au sein de simples membranes suspendues, suivi par des nanofils, le tout étant en accord avec les valeurs obtenues dans la littérature. Le transport thermique au sein des nanofils est bien diffus, à l’exception de fils de moins de 4 μm de long a la température de 4 K ou un régime partiellement balistique apparait. Une étude similaire au sein de structures périodiques 1D a démontré l’impact de la géométrie et l’aspect partiellement spéculaire des réflexions de phonons a basse température. Une étude sur des cristaux phononiques (PnCs) 2D a ensuite montré que même si la conduction est dominée par le rapport surface sur vole (S/V), la distance inter-trous devient cruciale lorsqu’elle est suffisamment petite. Enfin, il nous a été possible d’observer dans des PnCs 2D un ajustement de la conductivité thermique base entièrement sur la nature ondulatoire des phonons, réalisant par-là l’objectif de ce travail.

mots clés

Résumé

In the last two decades, nano-structuration has allowed thermoelectric efficiency to rise dramatically. Silicon (Si), originally a poor thermoelectric material, when scaled down, to form nanowires for example, has seen its efficiency improve enough to be accompanied by a renewed interest towards thermal transport in Si nanostructures. Although it is already possible to reduce thermal conductivity in Si nanostructures by nearly two orders of magnitude, thermal transport mechanisms remain unclear. A better understanding of these mechanisms could not only help to improve thermoelectric efficiency but also open up the path towards high-frequency thermal phonon control in similar ways that have been achieved with photons. The objective of this work was thus to develop a characterization platform, study thermal transport in various Si nanostructures, and ultimately highlight the contribution of the coherent phonon transport to thermal conductivity. First, we developed an optical characterization system alongside the fabrication process. Fabrication of the structures is realized on-site in clean rooms, using a combination of wet processes, electron-beam lithography, plasma etching and metal deposition. The characterization system is based on the thermoreflectance principle: the change in reflectivity of a metal at a certain wavelength is linked to its change in temperature. Based on this, we built a system specifically designed to measure suspended nanostructures. Then we studied the thermal properties of various kinds of nanostructures. Suspended unpatterned thin films served as a reference and were shown to be in good agreement with the literature as well as Si nanowires, in which thermal transport has been confirmed to be diffusive. Only at very low temperature and for short nanowires does a partially ballistic transport regime appear. While studying 1D periodic fishbone nanostructures, it was found that thermal conductivity could be adjusted by varying the shape which in turn impacts surface scattering. Furthermore, low temperature measurements confirmed once more the specularity of phonon scattering at the surfaces. Shifting the study towards 2D phononic crystals (PnCs), it was found that although thermal conductivity is mostly dominated by the surface-to-volume (S/V) ratio for most structures, when the limiting dimension, i.e. the inter-hole spacing, becomes small enough, thermal conductivity depends solely on this parameter, being independent of the S/V ratio. Lastly, we were able to observe, at low temperature in 2D PnCs, i.e. arrays of holes, thermal conduction tuning based on the wave nature of phonons, thus achieving the objective of this work.